陳二瑞　趙 磊　陳彥平.安徽理工大學(xué) .陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司

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綜合水力壓裂技術(shù)在丁集礦的應(yīng)用分析

陳二瑞1趙 磊2陳彥平1
1.安徽理工大學(xué) 2.陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司

【摘 要】水力壓裂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煤層增透及煤巖體結(jié)構(gòu)改造。針對(duì)常規(guī)水力壓裂注水壓力大、壓裂操作時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，提出綜合水力壓裂技術(shù)，先對(duì)穿層鉆孔的煤層段進(jìn)行高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫擴(kuò)孔，再對(duì)擴(kuò)孔后的鉆孔進(jìn)行水力壓裂。闡述了水力壓裂的過(guò)程及機(jī)理，介紹了綜合水力壓裂的工藝流程?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，相對(duì)于常規(guī)水力壓裂，綜合水力壓裂能夠縮短壓裂所用時(shí)間降低裂隙起裂壓力，對(duì)提高瓦斯抽放效果具有一定的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】煤層增透；水力壓裂；水射流割縫；瓦斯抽放

礦井瓦斯是威脅煤礦安全生產(chǎn)及井下工作人員生命安全的主要自然因素之一，高瓦斯礦井及煤與瓦斯突出礦井占國(guó)有礦井總量的50%左右[1]。我國(guó)高瓦斯突出煤層透氣性低，瓦斯抽采效果差，平均抽采率僅有23%[2]。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層透氣性系數(shù)隨著開(kāi)采深度的增加而減小，這在很大程度上制約著煤層瓦斯的抽采效果[2]。針對(duì)此問(wèn)題，目前主要采取區(qū)域卸壓增透技術(shù)來(lái)提高煤層透氣性，主要采取水力割縫、水力沖孔、水力壓裂、深孔松動(dòng)爆破等[3]。水力壓裂增透技術(shù)具有操作成本低、現(xiàn)場(chǎng)試用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，且卸壓增透效果顯著，能大大提高瓦斯抽采效率[4]。文章闡述了綜合水力壓裂技術(shù)，以降低水力壓裂泵注壓力及縮短壓裂時(shí)間為出發(fā)點(diǎn)，為煤礦井下水力壓裂的順利進(jìn)行提供技術(shù)支持。

1　綜合水力壓裂基本原理

1.1 水力壓裂基本原理

煤體是一種多孔介質(zhì)，具有大量的原生裂隙和孔隙，同時(shí)由于地質(zhì)構(gòu)造等的作用在煤層內(nèi)部生成了一系列構(gòu)造裂隙。水力壓裂過(guò)程中，鉆孔周圍煤巖體應(yīng)力降低，煤體原生裂隙弱面在高壓水流的作用下發(fā)生起裂、擴(kuò)展和延伸[5]。弱面的擴(kuò)展增加了原生裂隙的空間體積同時(shí)由于原生裂隙的延伸增加了裂隙之間的連通，打通了瓦斯的運(yùn)移通道致使煤層滲透率大大提高[6]。

1.2 高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫擴(kuò)孔基本原理

當(dāng)高壓水射流接觸到煤巖體后，在較短的時(shí)間內(nèi)，由于水射流的傾斜沖擊對(duì)煤巖體表面產(chǎn)生拉伸作用，煤巖體表面在拉伸應(yīng)力的作用下發(fā)生損傷。首先，出現(xiàn)一環(huán)形裂隙帶，該環(huán)形裂隙帶的直徑隨高壓旋轉(zhuǎn)射流切向速度與軸向速度比值的增大而增大。隨著射流的沖擊，裂隙逐漸積累并匯聚，煤巖快速的在徑向和軸向發(fā)展，且徑向的發(fā)展速度大于軸向[7]。

2　綜合水力壓裂技術(shù)工藝

首先在煤巖體中施工一個(gè)小直徑鉆孔，以便于

割縫噴頭的推進(jìn)，然后通過(guò)高壓旋轉(zhuǎn)水射流鉆桿帶動(dòng)割縫噴頭沿鉆孔軸向方向向前推進(jìn)。小直徑鉆孔的施工，使其周圍一定范圍內(nèi)的煤體發(fā)生塑性破壞，增加了煤巖體的裂隙，這為后續(xù)的水力割縫創(chuàng)造了條件。

鉆孔完成后，當(dāng)周圍的應(yīng)力超過(guò)煤體的彈性極限時(shí)，鉆孔周圍就會(huì)產(chǎn)生塑性區(qū)，隨著載荷的繼續(xù)增加，塑性區(qū)的大小也隨之增加。

圖1　鉆孔周圍破壞區(qū)示意圖

由于煤巖自重，鉆孔周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果在應(yīng)力集中區(qū)域外取出一個(gè)矩形區(qū)域，此矩形區(qū)域的邊界上可以設(shè)為不受煤巖體內(nèi)開(kāi)孔的影響（如圖1所示），其周邊所受的力為煤巖體中的原始應(yīng)力（初應(yīng)力），于是鉆孔周圍的變形問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如圖1中所示的矩形區(qū)域圓孔問(wèn)題。

為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，當(dāng)鉆孔不受地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)災(zāi)害影響時(shí)，假設(shè)Px=Py，那么該問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為等應(yīng)力的彈塑性問(wèn)題，根據(jù)彈性力學(xué)的相關(guān)理論，計(jì)算得塑性區(qū)的半徑可表示為：

式中：

λp—塑性摩擦系數(shù)；

εcp—煤巖體的塑性粘性。

可以看出，在埋深及煤巖自身性質(zhì)等各力學(xué)參數(shù)一定的條件下，鉆孔周圍塑性區(qū)的半徑隨著鉆孔半徑的增大而增大。因此，通過(guò)高壓旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)大鉆孔直徑，可以擴(kuò)大鉆孔周圍煤體的卸壓范圍。

3　煤巖體壓裂效果主要影響因素

3.1 地應(yīng)力

地應(yīng)力是影響煤礦井下水力壓裂效果的關(guān)鍵性因素，制約著裂縫起裂壓力大小、起裂點(diǎn)位置及裂縫擴(kuò)展形態(tài)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水平和垂直地應(yīng)力差值的增加，起裂壓力隨之降低，差值越大，越易產(chǎn)生較為平直的裂縫，差值越小，裂隙通常沿徑向以網(wǎng)狀形式擴(kuò)展，差值為零時(shí)，裂縫擴(kuò)展趨于復(fù)雜化[8]。

3.2 煤巖體力學(xué)性質(zhì)

力學(xué)性質(zhì)主要包括彈性力學(xué)特性和破壞特性兩方面。彈性力學(xué)特性包括彈性模量、泊松比及密度等，袁志剛等經(jīng)過(guò)大量測(cè)試指出：煤巖體的彈性模量較低，泊松比高[9]；破壞特性包括內(nèi)摩擦角、壓拉比及均質(zhì)度等，門曉溪等通過(guò)數(shù)值模擬指出：模型的層理角度越大，其破壞所需的壓力也越大，煤巖體強(qiáng)度越低，所受層理面的影響越小[10]。

3.3 天然裂隙

宋晨鵬等經(jīng)過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)：擴(kuò)展裂隙與天然裂隙相遇后會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種是擴(kuò)展裂縫直接穿過(guò)天然裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向繼續(xù)擴(kuò)展，一種是擴(kuò)展裂隙與天然裂隙延伸方向一致，但最后仍然后沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展[11]。

4　工程實(shí)例

試驗(yàn)選在11-2煤層，該煤層瓦斯壓力為1.06MPa （-880m標(biāo)高），瓦斯含量為3.63~7.13m3/t，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.4061d-1，透氣性系數(shù)為0.0071~0.0075 m2/（MPa2·d），抽采難易程度為較難抽采。試驗(yàn)共在西11-2運(yùn)輸大巷施工鉆孔102個(gè)，其中綜合水力壓裂鉆孔20個(gè)，其余的為效果考察孔，考察鉆孔同時(shí)兼做水力壓裂控制鉆孔，每一個(gè)水力割縫及壓裂鉆孔和4~6個(gè)效果考察鉆孔作為一組進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)比較試驗(yàn)前后瓦斯抽采量及抽采濃度的大小來(lái)衡量試驗(yàn)效果。試驗(yàn)以第19組鉆孔為例，第19組鉆孔包括水力割縫及壓裂鉆孔S19及四個(gè)考察鉆孔K1、K2、K3和K4。各考察鉆孔與試驗(yàn)鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)距離均按13m施工，如圖2。

圖2　鉆孔布置示意圖

首先依次施工各考察鉆孔K1、K2、K3、K4，待考察鉆孔施工完成下入Φ50mm的封孔鋼管并用水泥砂漿封孔。然開(kāi)始施工綜合試驗(yàn)鉆孔S19，S19的前15m孔徑為Φ133mm，后部的孔徑為Φ113mm，且鉆孔完成后前15m下入Φ108mm的無(wú)縫鋼管，在鋼管與鉆孔之間注入水泥砂漿用以固定無(wú)縫鋼管。一切準(zhǔn)備就緒后，開(kāi)始進(jìn)行綜合水力壓裂并接入瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行效果考察。

5　試驗(yàn)效果分析

S19組鉆孔包括效果考察孔K1、K2、K3、K4。于12 月12日對(duì)鉆孔S19進(jìn)行了水力割縫試驗(yàn)，試驗(yàn)水壓10MPa，持續(xù)時(shí)間40min，割出煤量約0.4t。12月16日進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)，壓力達(dá)到18MPa，持續(xù)時(shí)間約為5min，K2孔內(nèi)有水流出，顏色為黑色并帶有少量煤屑，持續(xù)壓裂約10min，未見(jiàn)水量增加。將水壓調(diào)至20MPa以后，K2孔內(nèi)出水量明顯增加，K3孔內(nèi)有水流出，呈黑色帶有煤屑，壓裂半徑為13m。試驗(yàn)鉆孔S19在16天的考察期內(nèi)瓦斯?jié)舛仁冀K維持在10%以上，最高濃度為56.3%，最大單日抽采純瓦斯量為119.02m3，16天內(nèi)抽采總瓦斯量為1039m3。試驗(yàn)鉆孔S19在16天內(nèi)抽采瓦斯量為其他鉆孔單孔抽采量最大值的2.15倍，平均值的3.28倍。S19鉆孔瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采量情況，如圖3。

圖3　抽采效果圖

6　結(jié)束語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)前后對(duì)比分析可得，綜合水力壓裂壓裂時(shí)間明顯減少，壓裂半徑也明顯增大，較單純的水力壓裂平均提高近1.31倍；

（2）高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫過(guò)程中割出大量的煤，平均出煤量在0.91t，其中S19鉆孔在割縫期間共出煤2504噸；

（3）綜合水力壓裂，在水力割縫期間，不僅擴(kuò)大了鉆孔直徑，增加了煤層的暴露面積，同時(shí)還改變了煤層的應(yīng)力狀態(tài)，為降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性提供了一定的保障。

參考文獻(xiàn)

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